Antimicrobial surfaces based on self-assembled nanoreactors : from block copolymer synthesis to bacterial adhesion studies

par Nicolas Cottenye

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de Karine Anselme.

  • Titre traduit

    Surfaces antimicrobiennes basées sur l'auto-assemblage de nanoréacteurs : de la synthèse du copolymère à l'étude de l'adhésion bactérienne


  • Résumé

    Ce travail a pour but le développement d'une nouvelle classe de surfaces destinée à la lutte contre la formation de biofilms. Ces surfaces se basent sur l'immobilisation de nanoréacteurs, résultant de l'auto-assemblage d'un copolymère amphiphile poly(isobutylène)-bloc-oligonucléotide sous forme de vésicules encapsulant une enzyme. Le rôle de cette enzyme est de produire des agents antimicrobiens à partir de précurseurs inactifs. Le copolymère a été synthétisé et caractérisé par des techniques complémentaires et le maintien de l'activité enzymatique a été démontré. Les surfaces bioactives sont finalement obtenues par l'immobilisation des nanoréacteurs grâce aux capacités d'hybridation des séquences nucléiques complémentaires. Nous avons d'abord montré l'influence des deux densités d'oligonucléotides utilisées sur le nombre d'E.coli adhérentes, due probablement aux variations de charges surfaciques associées. Nous avons ensuite confirmé l'influence des curli sur la cohésion des biofilms et mis en évidence une surexpression de la production de curli en présence d'oligonucléotides sur les surfaces, et ce, indépendamment de la séquence et de la topographie considérées. Finalement, nous avons observé un effet antiadhésif lié aux structures vésiculaires indépendant de la topographie de la surface. L'étude complémentaire, menée en mode de culture dynamique, a conduit à envisager que les propriétés mécaniques de la surface affectent la rétention des bactéries en modifiant leur mobilité sur la surface. L'analogie avec des résultats obtenus sur des hydrogels d'agar de différentes duretés conforte cette hypothèse. Ces résultats posent les fondements permettant d'envisager de nouvelles stratégies dans la lutte contre la formation des biofilms.


  • Résumé

    The aim of this work is to develop a new strategy for the prevention of biofilm growth. For this purpose, we prepared bioactive surfaces resulting from the surface-immobilization of nanoreactors self-assembled from amphiphilic poly(isobutylene)-block-oligonucleotide copolymers. The block copolymer was synthesized and characterized via appropriate complementary techniques. Self-assembly into vesicles allowed the functional encapsulation of enzymes, as assayed through enzyme activity monitoring, leading to a prodrug-drug system. The self-assembled structures were specifically immobilized on surfaces via base pairing between the oligonucleotide block of the copolymer and the surface tethered complementary nucleotide sequence. Using E.coli strains, we first observed an influence of the two density of oligonucleotides immobilized on the surface on the number of adherent bacteria. This influence may be due to an effect of surface charge density. We then confirmed the well-known role of curli in biofilm cohesion, and we showed gene over-expression associated with curli production on oligonucleotide-modified surfaces. We demonstrated that gene over-expression does not depend on the topographical features of the surface or on the composition of the nucleotide sequences used in this study. Finally, we demonstrated tha the presence of the vesicular structure is able to produce strong anti-adhesive properties of the surface. We assume, from observations of bacterial response in dynamic conditions, that this effect is due to increased bacterial motility on the surface, leading to a high detachment rate. Which is further confirms by a comparable bacterial response observed on agar hydrogel of different hardnesses. This result provides a preliminary outcome, paving the way to new approaches to antimicrobial strategies.


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